Пристрій для радіоакустичного зондування атмосфери

Пристрій для радіоакустичного зондування атмосфери, що містить комбіновану радіоакустичну антенну систему, розташовану на поверхні Землі, акустичний передавач і доплерівський радіолокатор, який містить антенний комутатор, імпульсний радіопередавач, радіоприймач, блок обробки інформації, до якого підключено індикатор метеовеличин, який відрізняється тим, що антенна система виконана у вигляді кільцевої антенної решітки з числом елементів, рівним 2N, де N = 180°/Дер, Дер, град кутове розділення за азимутом, кожний елемент решітки являє собою рупорно-параболічну антену з радіо- і звукопоглинаючим тубусом, в горловині рупора розміщено відрізок прямокутного хвилеводу, з'єднаний з узгодженою ЛІНІЄЮ передачі електромагнітної енергії і збуджуваного акустичними коливаннями електроакустичного перетворювача, ширина головної пелюстки акустичної діаграми спрямованості антени дорівнює Дф за азимутом, а за кутом місця дорівнює інтервалу кутів місця © 0 = т і / 2 - Є 0 , де е 0 визначається з розв'язку рівняння для профілю вітру в прикордонному шарі при різній стратифікації атмосфери, антенний комутатор і радіоприймач є 2ІЧ-канальними і виконані так, що ВИХІДНІ сигнали пари каналів радіоприймача з номерами n, n+N (n=1, 2 N) одночасно подаються до блока обробки інформації О О ю Винахід належить до метеорологи, а саме до приладів для визначення основних метеовеличин в прикордонному шарі атмосфери і може бути використано для безпеки злітання і посадки літаків ВІДОМІ прилади радіоакустичного зондування (РАЗ) атмосфери для визначення з поверхні землі профілів вітру і температури повітря, до складу яких входять акустичний передавач зі звуковою антеною, допплерівський радіолокатор безперервного або імпульсного випромінювання з радіолокаційними антенами Для таких приладів характерна наявність протяжної «мертвої зони», обумовленої відсутністю перекриття звукової і електромагнітної діаграм спрямування на початковій ДІЛЬНИЦІ дистанції зондування Усунення «мертвої зони» досягається суміщенням акустичної і радіолокаційної антенних решіток або використанням дзеркальних комбінованих антен з акустични ми і електромагнітними випромінювачами Принцип вимірювання вітрових характеристик атмосфери радіоакустичним зондуванням передбачає похиле зондування в декількох напрямках При цьому компенсація вітрового зносу звукового пакета вимагає зондування під кутами місця © близькими до 45° Назвемо таке зондування «адаптивне похиле зондування» На практиці при похилому зондуванні під малими кутами місця при використанні електричних сканувальних антенних решіток в пристрої РАЗ в зв'язку зі значним рівнем бокових пелюсток і розширенням головної пелюстки неможлива робота пристрою в умовах аеродрому Пристрій сприймає сторонні випромінювання що блокують його роботу Підвищення завадостійкості пристрою за рахунок зниження рівня бокових пелюсток антени (О 46150 можливо при використанні апертурних антен Однак, в цьому випадку пристрій мас низьку оперативність через необхідність механічного сканування Найбільш близьким до заявленого по сукупності ознак є пристрій радіоакустичного зондування атмосфери [Каллистратова М А , Кон А I Радиоакустическое зондирование атмосферы М Наука 1985 с 16 - 18, рис 1 8], що містить акустичний передавач, допплерівський радіолокатор (радар) і комбіновану радіоакустичну антенну систему, розташовану на поверхні землі Пристрій в літературі відомо як моностатичний расдар ЕМАС В антенній системі ЕМАС параболічне дзеркало опромінюється незалежно звуковими і радіохвилями, причому осі максимуму діаграм спрямованості акустичного і радіовипромінювання збігаються Антенна система шляхом механічного сканування може бути орієнтована під будь-яким кутом до горизонту Через антенний комутатор антенна система підключена до імпульсного радіопередавача і радіоприймача радара, який через блок обробки інформації підключений до індикатора швидкості вітру Для електромагнітних хвиль антенна система ЕМАС є антеною типу Касегрена електромагнітний рупор знаходиться позаду основного параболічного металевого дзеркала і через отвір в останньому створює електромагнітні хвилі в просторі між основним дзеркалом і допоміжним відбивачем гіперболічного профілю, що виготовлений з металевої сітки Електромагнітні хвилі відбиваються від гіперболічного дзеркала на основне, що і формує олівцевий промінь в дальній зоні Антена є взаємною, а тому електромагнітне випромінювання, яке прийшло зовні зворотним шляхом влучає в електромагнітний рупор Для акустичних хвиль антена ЕМАС є однодзеркальною параболічною антеною джерело звуку розміщене на оптичній осі основного дзеркала, причому сітчасте гіперболічне дзеркало знаходиться між акустичним випромінювачем і основним дзеркалом, гіперболічне дзеркало прозоре для акустичних хвиль Таким чином, антена має два випромінювача, електромагнітний і акустичний, які рознесеш в просторі Оскільки при радіоакустичному зондуванні повинна виконуватися умова Брэга A,s = Я,е / 2, де A-s, Я,е - довжини акустичної і електромагнітної хвиль у повітрі, головна пелюстка акустичної діаграми спрямованості описаної антени виявляється більш вузькою ніж головна пелюстка електромагнітної діаграми спрямованості, при цьому перша «вкладена» в другу Пристрій має такі недоліки 1) низьку оперативність через механічне сканування за кутом місця і азимутом при пошуку єхосигналів, 2) антенна система має характерний для антен Касегрена і однодзеркальних параболічних антен рівень бокових пелюсток, обумовлений дифракцією хвиль на краях дзеркала, переливом за краї дзеркала енергії хвиль, затінення основного дзеркала допоміжним, розсіюванням на тримачах останнього і на акустичному випромінювачі, 3) сторонні потужні акустичні джерела, що знаходяться в аерорту, збуджують елементи конструкції антени ЕМАС, внаслідок чого модулюються електромагнітні імпульси, що приймаються і ви промінюються, і ускладнюється визначення допплерівського зсуву частоти в прийнятому електромагнітному сигналі При цьому з найбільшою амплітудою вібрують самі легкі елементи конструкції - решітчасте мале дзеркало, тримачі Типовий шум сучасного турбореактивного двоконтурного двигуна на літаках типу Ту-154, Іл-62, Іл-76 і ш поблизу нього перевищує рівень 140дБ і лежить в спектральній області роботи акустичного каналу систем радіоакустичного зондування (шум лопаток на частотах 2000 - 5000Гц) Таким чином, пристрій не може застосовуватися в аеропорту, бо не забезпечує оперативного знаходження характеристик поля вітру і короткочасних мікровибухових потоків, може створювати завади аеродромним радіотехнічним засобам і сам сприймає сторонні випромінювання Згідно ВИМОЗІ ІСАО ДЛЯ забезпечення безаварійних зльоту і посадки літаків значення горизонтального вітру повинні реєструватися на конкретних висотах (2, ЗО, 60, 90, м) Технічні засоби визначення вітрових характеристик у зоні аеродрому повинні вимірювати напрямок вітру, осередненого за 1хв , у діапазоні 0 -ь 360° з похибкою ± 8° В основу винаходу поставлено задачу створення пристрою радіоакустичного зондування атмосфери, що забезпечує оперативне вимірювання температури і швидкості вітру в районі злітнопосадочної смуги аеродрому на дискретних висотних рівнях з постійною максимальною дальністю, яка не залежить від стану атмосфери Такий технічний результат досягається тим, що в пристрої радіоакустичного зондування атмосфери, що містить комбіновану радіоакустичну антенну систему, розташовану на поверхні Землі, імпульсний акустичний передавач, і допплерівський радіолокатор (радар), який містить антенний комутатор, імпульсний радіопередавач, радіоприймач, блок обробки інформації, до якого підключено індикатор метеовеличин, згідно винаходу, антенна система виконана в вигляді кільцевої антенної решітки з числом елементів, рівним 2N, де N = 180° / Дф, де Дф, град, - кутове розділення за азимутом, кожний елемент решітки має рупорнопараболічну антену з радіо - і звукопоглинаючим тубусом, в горловині рупору розміщений відрізок прямокутного хвилеводу, з'єднаний з узгодженою ЛІНІЄЮ передачі електромагнітної енергії і збуджуваний акустичними коливаннями електроакустичного перетворювача, ширина головної пелюстки акустичної діаграми спрямованості антени дорівнює Дф за азимутом, а за кутом місця дорівнює інтервалу кутів місця ©о = ті / 2 - ©о, де ©о знаходять з рішення рівняння для профілю вітру в прикордонному шарі при різній стратифікації атмосфери, антенний комутатор і приймальник є 2Nканальними, причому ВИХІДНІ сигнали пари каналів радіоприймача з номерами n, n + N (п = 1, 2 N) водночас подаються в блок обробки інформації 46150 ВИХІДНІ параметри пристрою, а саме ширина головної пелюстки (Д©) і кут місця зондування © можуть бути знайдені з урахуванням фізичної моделі похилого вітрового радіоакустичного зондування Позитивний результат досягається внаслідок того, що через вітровий вплив сферичний хвильовий фронт приймає форму сплющеної і витягнутої у напрямку вітру еліпсоїдноїповерхні На цій поверхні акустичного хвильового фронту є дві області, що мають властивість відображати і фокусувати відбиті радіохвилі в точку випромінювання звукових і електромагнітних коливань Обидві області перетинаються азимутальною площиною, де лежить локальний горизонтальний вектор вітру При випромінюванні і прийманні радіоімпульсів з однієї і тієї ж точки в площині локального горизонтального вітру, тобто за вітром і проти вітру, допплерівський зсув відбитих радіосигналів виявляється гранично МОЖЛИВИМ (Qflmax I Qflmin) У ПОРІВНЯННІ ІЗ х = R Д Ф , 9) coscp sm 9 у = К. o f(ф, 6j sin ф sm В z=R 0 f(А) 59 (Д(Одтах - (ЙДтах - Qflmin), І ОбЧИСЛЮЄТЬСЯ ЛОКЗЛЬ ний горизонтальний вітер за формулою Vr = Я,еДОдтах / (87isin©o) Таким чином визначаються швидко протікаючи зміни вітру (мікровибухові потоки) на конкретній висоті В прототипі антенну систему спрямовують під різноманітними кутами по азимуту і куту місця, щоб знайти напрямки, при яких існують умови відбиття радіохвиль від акустичного пакету За результатами вимірювання допплерівського зсуву відбитих радіохвиль визначають тільки усередненні за час пошуку горизонтальні компоненти вітру Для визначення кута місця, при якому відбитий сигнал буде прийнятий в точці випромінювання, проведене числове моделювання з урахуванням висотного розподілу вітру в реальній атмосфері, основні співвідношення наведеш нижче Визначення ширини діаграми спрямування кільцевої решітки за кутом місця Наявність вітрового потоку з вектором швидкості u призводить до деформації фронту Ro=Cgt 2 сферичного звукової хвилі, що розповсю джується в атмосфері Тут R o - радіус-вектор поверхні, освітленої фронтом звукової хвилі, C s от т (3) Система рівнянь (3) визначає умову одержання ехо-сигналу в точці випромінювання звукових і електромагнітних коливань Рішення цієї системи рівнянь дає значення таких основних параметрів зондування азимуту головної осі діаграми спрямованості антени РАЗ (фо), 71 кута місця тієї ж осі (бо = — бо), похилої дальності Rof (фо, бо) Переріз фазового фронту звукової хвилі в площині xz (ф = 0) можна описати такою системою параметричних рівнянь для кривої z=R/(9)cosQ' Де швидкість звуку у повітрі, t - час поширення акустичної хвилі від антени до хвильового визначається результуючим вектором v=Cs+u його розповсюдження Внаслідок поверхня деформованого фронту звукової хвилі має вигляд JtV V**\ 1 **р / * з +ux) фронту Деформація сферичного фронту під впливом вітру /я \ де u r - радіальний компонент вектору швидкості вітру R - радіус-вектор Вираз (1) в Декартові системі координат має таку систему параметричних рівнянь для поверхні w ,